EP1140343B1

EP1140343B1 - Method and device for the convective movement of liquids in microsystems

Info

Publication number: EP1140343B1
Application number: EP99964603A
Authority: EP
Inventors: Günter FUHR; Torsten Müller; Thomas Schnelle; Rolf Hagedorn
Original assignee: Evotec OAI AG
Current assignee: Evotec OAI AG
Priority date: 1998-12-22
Filing date: 1999-12-17
Publication date: 2003-03-19
Anticipated expiration: 2019-12-17
Also published as: US6663757B1; EP1140343A1; WO2000037165A1; ATE234671T1; DE19859461A1; DE59904670D1

Abstract

The aim of the invention is to convectively move at least one liquid in a channel of a microsystem which comprises a predetermined channel direction. To this end, the liquid is, in a partial section of the channel, subjected to an electric field gradient and optionally to a thermal gradient. The gradients are generated in the partial section corresponding to a predetermined field direction, whereby the field direction differs from the channel direction.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zur konvektiven Bewegung von ruhenden oder strömenden Flüssigkeiten in Mikrosystemen, insbesondere zum elektro- oder thermokonvektiven Vermischen der Flüssigkeiten, und Vorrichtungen zur Implementierung der Verfahren, wie insbesondere Elektrodenanordnungen in Mikrosystemen zur Auslösung konvektiver Flüssigkeitsbewegungen.The invention relates to methods for the convective movement of static or flowing liquids in microsystems, in particular for electro- or thermoconvective mixing of Liquids, and devices for implementing the methods, such as in particular electrode arrangements in microsystems to trigger convective fluid movements.

In zahlreichen technischen Gebieten, insbesondere in der chemischen Technologie, besteht häufig die Aufgabe, eine Flüssigkeit umzuwälzen oder umzurühren oder mehrere Flüssigkeiten zu vermengen oder zu vermischen. Hierzu werden Flüssigkeitsströme erzeugt, die z.B. mittels mechanischer Barrieren und/oder aktiv beweglicher Elemente mechanisch umgewälzt werden. Bei turbulenter Verwirbelung der Flüssigkeit(en) wird deren gegenseitige Durchsetzung erzielt. Für die Wirksamkeit der Umwälzung einer Flüssigkeit in einer Kanal- oder Behälterstruktur ist deren Reynoldszahl von Bedeutung. Für die mechanische Vermischung von Flüssigkeiten in der Behälterstruktur müssen in dieser Reynoldszahlen oberhalb des Wertes 1000 gegeben sein. Derartige Werte sind nur in makroskopischen Systeme erzielbar, wie die folgende Abschätzung zeigt.In numerous technical fields, especially chemical ones Technology, the task is often a liquid to circulate or stir or several liquids mix or mingle. For this, liquid flows generated, e.g. by means of mechanical barriers and / or active movable elements are mechanically circulated. In turbulent Whirling the liquid (s) becomes their mutual Enforcement achieved. For the effectiveness of the revolution a liquid in a channel or container structure whose Reynolds number is important. For mechanical mixing of liquids in the container structure must be in of these Reynolds numbers above 1000. Such values can only be achieved in macroscopic systems, as the following estimate shows.

Die Reynoldszahl eines Kanals läßt sich gemäß R_e = (ρ · U · L)/η abschätzen, wobei ρ die Dichte der Flüssigkeit, η die dynamische Viskosität der Flüssigkeit, U die Strömungsgeschwindigkeit und L eine charakteristische Kanalgröße (z.B. Radius des Kanalquerschnitts) sind. Eine wässrige Lösung mit der kinematischen Viskosität ν=η/ρ = 1,6 · 10^-2 cm²/s, die durch einen Kanal mit einem Radius r = 25 µm mit einer Geschwindigkeit U = 500 µm/s strömt, würde sich beispielsweise eine Reynoldszahl R_e ≈ 0.008 ergeben, was weit unterhalb des obengenannten Richtwertes 1000 liegt. Die strömungsmechanische Vermengung von Flüssigkeiten durch Hindernisse in der Strömung ist daher auf makroskopische Systeme beschränkt. Auch beim Einsatz aktiv beweglicher Elemente zur Flüssigkeitsumwälzung besteht eine Beschränkung auf makroskopische Systeme, da in miniaturisierten Systemen bewegliche Elemente störanfällig sind und leicht Verstopfungen oder Strömungsbehinderungen verursachen können.The Reynolds number of a channel can be estimated according to R _e = (ρ · U · L) / η, where ρ is the density of the liquid, η is the dynamic viscosity of the liquid, U is the flow velocity and L is a characteristic channel size (e.g. radius of the channel cross-section) , An aqueous solution with the kinematic viscosity ν = η / ρ = 1.6 · 10 ^-2 cm ² / s, which flows through a channel with a radius r = 25 µm at a speed U = 500 µm / s, would, for example result in a Reynolds number R _e ≈ 0.008, which is far below the above-mentioned guide value 1000. The fluid mechanical mixing of liquids through obstacles in the flow is therefore limited to macroscopic systems. There is also a restriction to macroscopic systems when using actively moving elements for liquid circulation, since moving elements in miniaturized systems are susceptible to faults and can easily cause blockages or flow restrictions.

Für viele biologische, medizinische und chemisch-technologische Anwendungen wurden die Meß- und/oder Analysensysteme im letzten Jahrzehnt aus Kosten- und Ressourcengründen und zur Erzielung hochspezifischer Analysen miniaturisiert. Das Problem der Flüssigkeitsumwälzung in Mikrosystemen ist jedoch bisher nicht gelöst. Wegen der geringen Reynoldszahl kann es selbst bei Umströmung von z.B. sich mäanderförmig kreuzenden Barrieren oder scharfkantigen Strömungshindernissen keine turbulente Strömung ergeben. Werden zwei Flüssigkeiten in einen miniaturisierten Kanal (typischer Querschnitt: 1 mm²) eingeleitet, so wird sich selbst bei Durchströmung einer Kanallänge von mehreren Millimetern keine Vermischung der Flüssigkeit außer durch Diffusion ergeben.For many biological, medical and chemical-technological applications, the measuring and / or analysis systems have been miniaturized in the last decade for reasons of cost and resources and to achieve highly specific analyzes. However, the problem of liquid circulation in microsystems has not yet been solved. Because of the low Reynolds number, there can be no turbulent flow even when flowing around, for example, meandering crossing barriers or sharp-edged flow obstacles. If two liquids are introduced into a miniaturized channel (typical cross-section: 1 mm ² ), there will be no mixing of the liquid except by diffusion, even when a channel length of several millimeters flows through.

Ein allgemein bekannter Ansatz zur Umwälzung strömender Flüssigkeiten in Mikrosystemen besteht in der Aufspaltung eines Kanals in eine Vielzahl engerer Kanäle und deren anschließende Wiedervereinigung in veränderter Relativanordnung. Dabei werden zwar keine beweglichen Teile verwendet. Allerdings besitzen die verengten Kanäle einen charakteristischen Durchmesser, der um einen Faktor 10 bis 40 kleiner als der Ausgangskanal ist. Dadurch steigt der Strömungswiderstand und entsteht eine akute Verstopfungsgefahr. Eine Anwendung für Suspensionen, die Teilchen wie z.B. biologische Zellen oder Mikrobeads enthalten, ist ausgeschlossen. Außerdem erfolgt nur eine quasi-Durchmischung entsprechend der Zahl und Umordnung der verengten Kanäle.A well known approach to circulating fluids in microsystems is the splitting of one Channel into a variety of narrower channels and their subsequent ones Reunification in a changed relative arrangement. In doing so no moving parts are used. However, own the narrowed channels have a characteristic diameter, which is 10 to 40 times smaller than the output channel is. This increases the flow resistance and arises an acute risk of constipation. An application for suspensions, the particles such as biological cells or microbeads included is excluded. In addition, there is only one quasi-mixing according to the number and rearrangement of the narrowed channels.

Es ist ferner bekannt, Flüssigkeiten auf der Grundlage elektro-hydrodynamischer Effekte zu pumpen. In Flüssigkeitskanälen werden mit Elektrodensystemen, die an gegenüberliegenden Kanalwänden über die gesamte Kanallänge angebracht sind, wandernde elektische Felder erzeugt. In Zusammenwirkung mit einem Temperaturgradienten, der von einem der Elektrodensysteme zum gegenüberliegenden Elektrodensystem gerichtet ist, kommt es zu einer sogenannten Elektrokonvektion, die einen stationären Flüssigkeitstransport im Kanal bewirkt. Derartige Systeme werden beispielsweise als Wanderwellenpumpen oder elektrohydrodynamische Pumpen von J. R. Melcher et al. in "The Physics of Fluids", Band 10, 1967, Seite 1178 ff., beschrieben. Der mechanische Flüssigkeitsvortrieb wird so bewirkt, daß durch den Temperaturgradienten in der Flüssigkeit Leitfähigkeits- und/oder Dielektrizitätskonstantengradienten entstehen. Dadurch werden Raumladungen erzeugt, die in Wechselwirkung mit dem wandernden elektrischen Feld eine Vortriebskraft auf die Flüssigkeit ausüben.It is also known to use electro-hydrodynamic fluids Pumping effects. In liquid channels with electrode systems on opposite channel walls are attached over the entire length of the canal, wandering generated electric fields. In cooperation with one Temperature gradient from one of the electrode systems to opposite electrode system, it happens a so-called electric convection, which is a stationary Liquid transport in the channel causes. Such systems will for example as traveling wave pumps or electrohydrodynamic Pumps by J.R. Melcher et al. in "The Physics of Fluids ", volume 10, 1967, page 1178 ff. The mechanical liquid propulsion is effected in such a way that due to the temperature gradient in the liquid conductivity and / or dielectric constant gradients arise. This creates space charges that interact with a propulsive force on the moving electric field Apply liquid.

Das von J. R. Melcher et al. beschriebene System ist ein makroskopisches System mit einer Kanallänge von rd. 1 m und einem typischen Kanalquerschnitt von rd. 3 cm. Es dient ausschließlich der Untersuchung der Elektrokonvektion und erlaubt aufgrund der aufwendigen Maßnahmen zur Herstellung des Temperaturgradienten und zur Ansteuerung der Elektroden über die gesamte Kanallänge keine praktische Nutzung.The method described by J.R. Melcher et al. described system is a macroscopic system with a channel length of approx. 1 m and a typical channel cross section of approx. 3 cm. It only serves the study of electrical convection and allowed due to the complex measures for producing the temperature gradient and to control the electrodes via the entire channel length no practical use.

Miniaturisierte Wanderwellenpumpen werden von Fuhr et al. in "MEMS 92", 1992, S. 25, beschrieben. Die Implementierung des Wanderwellenprinzips in Mikrosystemen hat jedoch bisher keine praktische Anwendung gefunden, da es wesentlich einfachere Möglichkeiten des Flüssigkeitstransports in Mikrokanälen gibt und auch ein Beitrag zum oben erläuterten Problem der Flüssigkeitsumwälzung in Mikrosystemen nicht geliefert wurde. Eine Flüssigkeitsumwälzung würde nämlich bedeuten, daß die Summe der in einem Bereich des Mikrosystems umgewälzten Flüssigkeiten Null beträgt. Die herkömmlichen Wanderwellenpumpen liefern jedoch immer einen Netto-Lösungsfluß. Es erfolgt ein gerichtetes Pumpen entlang der Kanalrichtung im Mikrosystem. Ein Mischen von Flüssigkeiten ist mit den herkömmlichen Wanderwellenpumpen nicht möglich.Miniaturized traveling wave pumps are described by Fuhr et al. in "MEMS 92", 1992, p. 25. The implementation of the So far, however, there have been no traveling wave principles in microsystems found practical application as it is much simpler Possibilities of liquid transport in microchannels exist and also a contribution to the problem of liquid circulation explained above was not delivered in microsystems. A Liquid circulation would mean that the sum of the liquids circulated in an area of the microsystem Is zero. The conventional traveling wave pumps deliver however always a net solution flow. There is a directed one Pumping along the channel direction in the microsystem. A mix of liquids with the conventional traveling wave pumps not possible.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, verbesserte Verfahren zur konvektiven Bewegung von Flüssigkeiten in Mikrosystemen anzugeben, mit denen eine Umwälzung oder Durchmischung von Flüssigkeiten in Mikrokanälen ohne sich bewegende Teile und ohne Kanalverengungen bei beliebigen Kanalquerschnitten ermöglicht wird. Die Aufgabe besteht insbesondere darin, ein Verfahren zur effektiven Flüssigkeitsmischung in Mikrosystemen anzugeben, das auch mit Suspensionen anwendbar ist, die Mikropartikel enthalten. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Vorrichtungen zur Implementierung der genannten Verfahren, insbesondere miniaturisierte Flüssigkeitsmischer, anzugeben.It is the object of the invention to provide improved methods for specify convective movement of liquids in microsystems, with which a circulation or mixing of liquids in microchannels without moving parts and without Channel narrowing with any channel cross-sections enabled becomes. The task in particular consists of a procedure for effective liquid mixing in microsystems, that can also be used with suspensions, the microparticles contain. The object of the invention is also devices to implement the aforementioned methods, in particular miniaturized liquid mixers, to be specified.

Diese Aufgaben werden durch Verfahren und Vorrichtungen mit den Merkmalen gemäß den Patentansprüche 1 bzw. 11 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen und Verwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.These tasks are performed using methods and devices 11 solved the features according to claims 1 and 11. advantageous Embodiments and uses of the invention result itself from the dependent claims.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird insbesondere ein neues Verfahren zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung in Mikrosystemen geschaffen, bei dem eine oder mehrere Flüssigkeiten im Mikrosystem wandernden elektrischen Feldern, Wechselfeldern oder elektrischen Feldgradienten mit einer Ausrichtung ausgesetzt werden, die von einer Strömungsrichtung der Flüssigkeit im Mikrosystem und/oder einer Vorzugslängsausrichtung eines Teilabschnitts des Mikrosystems (z.B. Kanalabschnitt) abweicht. Die Ausrichtung der Wechselfelder (Vorzugsrichtung der felderzeugenden Elektroden), der wandernden elektrischen Felder (Laufrichtung) oder Feldgradienten wird im folgenden allgemein als Feldrichtung bezeichnet. Erfindungsgemäß verläuft die Feldrichtung z.B. senkrecht zur Strömungsrichtung der Flüssigkeit bzw. senkrecht zur Kanalausrichtung.According to a first aspect of the invention, in particular a new method for convective fluid movement created in microsystems in which one or more liquids electric fields migrating in the microsystem, Alternating fields or electrical field gradients with one orientation to be exposed by a flow direction the liquid in the microsystem and / or a preferred longitudinal alignment a section of the microsystem (e.g. channel section) differs. The alignment of the alternating fields (preferred direction the field-generating electrodes), the traveling electrical Fields (running direction) or field gradients is in hereinafter generally referred to as field direction. According to the invention the field direction runs e.g. perpendicular to the direction of flow the liquid or perpendicular to the channel orientation.

Die konvektive Flüssigkeitsbewegung kann sowohl in strömenden Flüssigkeiten (quer zur Strömungsrichtung) als auch in ruhenden Flüssigkeitsvolumina (z.B. in einem abgeschlossenen Teil eines Mikrosystems) erzeugt werden. Die konvektive Flüssigkeitsbewegung ist durch einen geschlossenen Flüssigkeitsumlauf gekennzeichnet. Die Summe der im Bereich der erfindungsgemäß ausgebildeten Feldgradienten verursachten Ströme ist Null. Es werden beispielsweise quer zur Kanalrichtung Strömungskreisläufe erzeugt, die eine Verwirbelung und ein Vermischen der beteiligten Flüssigkeiten verurachen. Dies ist ein überraschendes Ergebnis, nachdem ein freies Vermischen von Flüssigkeiten in Mikrosystemen wegen der oben erläuterten strömungsmechanischen Gründe für unmöglich gehalten wurde.The convective fluid movement can flow in both Liquids (transverse to the flow direction) as well as in still ones Liquid volumes (e.g. in a closed part of a microsystem). The convective fluid movement is due to a closed liquid circulation characterized. The sum of the range of the invention currents caused by trained field gradients is zero. It become, for example, flow circuits transverse to the channel direction which produces a swirl and a mixing of the cause liquids involved. This is surprising Result after a free mixing of liquids in microsystems because of the fluid mechanics explained above Reasons were considered impossible.

Die konvektive Flüssigkeitsbewegung wird entsprechend den folgenden Prinzipien ausgelöst. An der Grenzfläche zwischen zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten (oder Leitfähigkeiten) führen die Feldgradienten zu Polarisationserscheinungen und Kraftwirkungen, die zur Durchmischung an der und jeder neuen Grenzfläche führen. Bei Flüssigkeiten oder Flüssigkeitsgemischen mit einer genügenden Anisotropie der dielektrischen Eigenschaften oder Polarisationseigenschaften wird die Durchmischung allein durch den elektrischen Feldgradienten ausgelöst. Falls die Flüssigkeit isotrop ist, muß die elektrische Anisotropie durch Ausbildung eines Thermogradienten künstlich ausgelöst werden. Die Wirkung des Thermogradienten wird mit dem folgenden Bild erklärt. Mit der Temperaturänderung werden in einer zunächst isotropen Flüssigkeit entsprechend den Temperaturgradienten auch Gradienten der dielektrischen Eigenschaften oder Polarisationseigenschaften gebildet. Die Flüssigkeit kann als Schichtung vieler dielektrisch verschiedener Flüssigkeiten betrachtet werden. An den Grenzflächen zwischen den Schichten treten die für die anisotropen Flüssigkeiten genannten Effekte auf. Elektrische Polarisationserscheinungen führen zur Vermengung der Flüssigkeit.The convective fluid movement is according to the following Principles triggered. At the interface between two Liquids with different dielectric constants (or conductivities) the field gradients lead to polarization phenomena and force effects leading to mixing at the and every new interface. With liquids or liquid mixtures with sufficient anisotropy dielectric properties or polarization properties is the mixing only by the electrical field gradient triggered. If the liquid is isotropic, must electrical anisotropy by forming a thermal gradient artificially triggered. The effect of the thermal gradient is explained with the following picture. With the change in temperature are in an initially isotropic liquid according to the temperature gradients also gradients of dielectric properties or polarization properties educated. The liquid can be dielectric as a layering of many different liquids can be considered. To the Interfaces between the layers occur for the effects called anisotropic liquids. electrical Polarization phenomena lead to the mixing of the liquid.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt somit simultan zur Erzeugung der elektrischen Felder die Ausbildung eines thermischen Feldgradienten parallel zur Feldrichtung. Der Thermogradient ist erforderlich, um in der Flüssigkeit die Anisotropie zu erzeugen, die in Zusammenwirkung mit den elektrischen Feldern zum Flüssigkeitsvorschub führt. Im Unterschied zu den herkömmlichen Wanderwellenpumpen genügt zur Erzeugung der erfindungsgemäßen Flüssigkeitsumwälzung oder -querströmung ein thermischer Gradient mit einer Temperaturdifferenz zwischen gegenüberliegenden Kanalwänden von 0,5°C bis 1°C. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine derartige Temperaturdifferenz allein durch die Beaufschlagung von Elektrodenanordnungen mit elektrischen Spannungen zur Erzeugung der elektrischen Felder erzielt werden kann, so daß die gesonderte Erzeugung eines externen Thermogradienten nicht zwingend erforderlich ist.According to a preferred embodiment of the invention training simultaneously with the generation of the electric fields of a thermal field gradient parallel to Field direction. The thermal gradient is required to in the Liquid to produce the anisotropy, which in interaction with the electrical fields for liquid feed leads. In contrast to conventional traveling wave pumps is sufficient to generate the liquid circulation according to the invention or cross flow a thermal gradient with a Temperature difference between opposite duct walls from 0.5 ° C to 1 ° C. There is a particular advantage of the invention in that such a temperature difference alone by supplying electrode arrangements with electrical Tensions for the generation of the electric fields achieved can be, so that the separate generation of an external Thermal gradient is not absolutely necessary.

Wenn der Thermogradient extern erzeugt wird, so erfolgt dies vorzugsweise mit einer optischen Bestrahlung. Der interessierende Bereich des Mikrosystems, in dem die elektrischen Feldgradienten ausgebildet sind, wird mit Licht einer geeigneten Wellenlänge, die gut in der jeweiligen Flüssigkeit absorbiert wird, bestrahlt. Die Bestrahlung erfolgt vorzugsweise mit einem fokussierten Laserstrahl, der anwendungsabhängig von beliebigen Seiten des Mikrosystems her durch transparente Wandbereiche oder unter Verwendung von Lichtleitern eingekoppelt wird. Durch die optisch induzierte Temperaturerhöhung werden sogenannte "Hot spots" gebildet, die besonders effektiv mit den elektrischen Feldgradienten zur Erzeugung der konvektiven Flüssigkeitsbewegung zusammenwirken.If the thermal gradient is generated externally, this is done preferably with optical radiation. The interested one Area of the microsystem in which the electrical field gradients are trained with a suitable light Wavelength that is well absorbed in the liquid is irradiated. The radiation is preferably carried out with a focused laser beam, depending on the application Sides of the microsystem through transparent wall areas or coupled in using optical fibers becomes. Due to the optically induced temperature increase So-called "hot spots" are formed, which are particularly effective with the electric field gradient to generate the convective Interact fluid movement.

Erfindungsgemäß besteht zwischen der Feldrichtung und der Richtung der aktuellen bzw. vor oder nach Realisierung des Verfahrens gegebenen Strömungsrichtung der Flüssigkeit eine vorbestimmte Winkeldifferenz. Im folgenden wird der Begriff Strömungsrichtung allgemein für die Ausrichtung der Flüssigkeitsströmung oder für die Ausrichtung des Mikrosystembereichs, in dem die Flüssigkeit strömt, verwendet. Der Winkel zwischen der Feldrichtung und der Strömungsrichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 60° bis 120°. Für Werte oberhalb 90° bedeutet dies, daß die Feldrichtung eine Komponente besitzt, die der Strömungsrichtung entgegengesetzt ist.According to the invention exists between the field direction and the Direction of the current or before or after realization of the Method given flow direction of the liquid predetermined angular difference. The following is the term Flow direction generally for the alignment of the liquid flow or for the alignment of the microsystem area, in which the liquid flows. The angle preferably lies between the field direction and the flow direction in the range of 60 ° to 120 °. For values above 90 ° this means that the field direction has a component which is opposite to the direction of flow.

Gemäß einen weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird ein fluidisches Mikrosystem mit Strukturen angegeben, die zur Flüssigkeitsleitung oder -aufnahme eingerichtet sind und in wenigstens einem vorbestimmten Teilabschnitt (Verwirbelungsabschnitt) eine Elektrodenanordnung zur Ausbildung der wandernden elektrischen Felder, elektrischen Feldgradienten oder Wechselspannungen entsprechend der gewünschten Feldrichtung aufweisen. Die Strukturen im Mikrosystem besitzen vorzugsweise eine charakteristische Querschnittsdimension von weniger als 150 µm. Typischerweise ist eine Struktur als Mikrokanal mit einer Querschnittsfläche von rd. 1 mm² (oder darunter), z.B. Querschnittsdimensionen von 100 µm · 100 µm oder darunter, ausgebildet. Die Bereitstellung von Verwirbelungsabschnitten ist in allen Arten der an sich bekannten Mikrosysteme möglich. Die Anbringung erfindungsgemäßer Eiektrodenanordnungen wird an geraden Kanälen bevorzugt.According to a further aspect of the invention, a fluidic microsystem is specified with structures which are set up for liquid conduction or absorption and which have at least one predetermined partial section (swirling section) an electrode arrangement for forming the traveling electrical fields, electrical field gradients or alternating voltages corresponding to the desired field direction. The structures in the microsystem preferably have a characteristic cross-sectional dimension of less than 150 μm. A structure as a microchannel with a cross-sectional area of approx. 1 mm ² (or below), for example cross-sectional dimensions of 100 µm × 100 µm or below. The provision of swirling sections is possible in all types of microsystems known per se. The attachment of electrode arrangements according to the invention is preferred on straight channels.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine auf mindestens einer Wand eines Mikrokanals angebrachte Elektrodenanordnung zur Ausbildung der genannten Feldwirkungen in einer von der Kanalausrichtung abweichenden Feldrichtung. Da simultan zur elektrischen Ansteuerung der thermische Gradient in Feldrichtung erzeugt wird, besteht die Elektrodenanordnung aus Elektrodenelementen, die in Bezug auf die Feldrichtung eine asymmetrische oder unregelmäßige Gestalt besitzen. Dies gilt zumindest für die Ausführungsform, bei der die elektrischen Felder elektrische Feldgradienten oder Wechselspannungen umfassen. Beim Einsatz wandernder elektrischer Felder ist die Asymmetrie der Elektrodenelemente nicht zwingend, da dann der thermische Feldgradient auch durch die zeitlich versetzte Ansteuerung der Elektrodenelemente erzeugt wird.The invention also relates to at least one Wall of a microchannel attached electrode arrangement for Training of the field effects mentioned in one of the channel orientation deviating field direction. Because simultaneous to the electrical Control of the thermal gradient in the field direction is generated, the electrode arrangement consists of electrode elements, which is asymmetrical with respect to the field direction or have an irregular shape. At least this is true for the embodiment in which the electric fields include electrical field gradients or AC voltages. When using wandering electric fields there is asymmetry of the electrode elements is not mandatory, since then the thermal Field gradient also due to the timed activation of the Electrode elements is generated.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Es wird erstmalig die konvektive Flüssigkeitsbewegung zur Erzeugung von Flüssigkeitsquerströmungen und/oder Verwirbelungen in Mikrokanälen realisiert. Die erfindungsgemäßen Elektrodenanordnungen besitzen einen einfachen und kompakten Aufbau. Daher ist es ausreichend, wenn die Verwirbelungsabschnitte im Mikrosystem in Kanallängsrichtung eine verhältnismäßig geringe Ausdehnung etwa im Bereich der Kanalquerschnittsdimension bis zu einem Fünftel von dieser besitzen. Die erfindungsgemäße Flüssigkeitsverwirbelung ist sowohl in ruhenden als auch in strömenden Flüssigkeiten realisierbar. Ein wirksamer Temperaturgradient kann einfach elektrisch mit den Elektrodenanordnungen erzeugt werden. Die Aufbringung eines zusätzlichen, äußeren Temperaturgradienten ist zwar möglich, aber nicht zwingend erforderlich. Die Erfindung ist einfach mit anderen Mikrostrukturtechniken kompatibel. So können die Elektrodenanordnungen aus Elektroden bestehen, die im wesentlichen wie Elektroden zur Erzeugung von Feldbarrieren zur dielektrophoretischen Manipulierung suspendierter Partikel aufgebaut sind. Erfindungsgemäß sind keine beweglichen Teile erforderlich.The invention has the following advantages. It will be the first time the convective fluid movement to produce Cross liquid flows and / or swirls in microchannels realized. The electrode arrangements according to the invention have a simple and compact structure. Therefore, it is sufficient if the swirling sections in the microsystem a relatively small expansion in the longitudinal direction of the channel approximately in the range of the channel cross-sectional dimension up to one Own fifth of this. The fluidization according to the invention is in both resting and flowing Liquids can be realized. An effective temperature gradient can simply be electrical with the electrode assemblies be generated. The application of an additional, external Temperature gradients are possible, but not essential. The invention is simple with other microstructure techniques compatible. So the electrode arrangements consist of electrodes that are essentially like electrodes to create field barriers for dielectrophoretic manipulation suspended particles are built up. According to the invention no moving parts are required.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:

Fig. 1 bis 7:: verschiedene Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elektrodenanordnungen in schematischer Perspektivansicht ausschnittsweise dargestellter Mikrokanäle, und
Fig. 8:: eine Illustration zur Anwendung der Erfindung bei der Flüssigkeitsdurchmischung in DNA-Chips.

Die Erfindung wird im folgenden aus Übersichtlichkeitsgründen anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, bei denen der Winkel zwischen den Feld- und Strömungsrichtungen 90° beträgt. Eine Implementierung mit abweichenden Winkelwerten ist durch entsprechende Anpassung der Elektrodenanordnungen möglich. Hierzu werden die Elektrodenanordnungen jeweils entsprechend der gewünschten Feldwirkung ausgerichtet.Further advantages and details of the invention will become apparent from the following description of the accompanying drawings. Show it:

1 to 7:: different embodiments of electrode arrangements according to the invention in a schematic perspective view of partial microchannels, and
Fig. 8:: an illustration of the application of the invention in liquid mixing in DNA chips.

For reasons of clarity, the invention is explained below using exemplary embodiments in which the angle between the field and flow directions is 90 °. Implementation with different angle values is possible by adapting the electrode arrangements accordingly. For this purpose, the electrode arrangements are aligned according to the desired field effect.

Eine vergrößerte Perspektivansicht eines Kanals 13 in einem Mikrosystem ist in Fig. 1 ausschnittweise dargestellt. Der Kanal 13 besitzt einen rechteckigen Querschnitt mit Dimensionen a und b, die im Bereich von einigen bis zu einigen Hundert Mikrometern oder auch darunter liegen. Eine Obergrenze für die Dimensionen a, b beträgt rd. 1 mm. Die Wände des Kanals 13 werden im folgenden entsprechend ihrer Lage in Betriebsposition als Boden-, Deck- und Seitenflächen bezeichnet. Der Kanal 13 ist Teil eines Mikrosystems, das z.B. im wesentlichen aus Kunststoff oder einem Halbleitermaterial besteht. Das Mikrosystem wird vorzugsweise mit Methoden der Halbleitertechnologie auf einem Substrat zur Bildung eines Mikrosystemchips prozessiert.An enlarged perspective view of a channel 13 in one Microsystem is shown in detail in Fig. 1. The channel 13 has a rectangular cross section with dimensions a and b, which range from a few to a few hundred Micrometers or less. An upper limit for the Dimensions a, b is approx. 1 mm. The walls of the canal 13 are in the operating position below according to their position referred to as floor, top and side surfaces. The channel 13 is part of a microsystem, e.g. essentially out Plastic or a semiconductor material. The microsystem is preferably using methods of semiconductor technology processed on a substrate to form a microsystem chip.

Der Kanal 13 ist dazu eingerichtet, von einer Flüssigkeit (Lösung oder Suspension) in Pfeilrichtung 14 durchströmt zu werden. Die Strömungsrichtung 14 entspricht der Längsausdehnung des Kanals 13. Eingangsseitig ist der Kanal 13 mit anderen Teilen des Mikrosystems (nicht dargestellt) verbunden. Bei der Ausbildung als Flüssigkeitsmischer münden mehrere Teilkanäle in den Kanal 13 stromaufwärts in Bezug auf den Verwirbelungsabschnitt 10, der im folgenden beschrieben wird.The channel 13 is set up for a liquid (Solution or suspension) flows in the direction of arrow 14 become. The direction of flow 14 corresponds to the longitudinal extent of channel 13. On the input side, channel 13 is connected to others Parts of the microsystem (not shown) connected. at training as a liquid mixer opens several sub-channels into channel 13 upstream of the swirl section 10, which will be described below.

Der Verwirbelungsabschnitt 10 wird durch eine an den Kanalwänden angebrachte Elektrodenanordnung 11, 12 gebildet. Die Elektrodenanordnung 11, 12 besteht aus zwei Elektrodengruppen, die an einander gegenüberliegenden Kanalwänden angebracht sind. Bei einem rechteckigen Kanalquerschnitt (wie dargestellt) werden die Elektrodengruppen zur Erzielung einer hohen Mischungseffektivität vorzugsweise an den Kanalwänden mit der größeren Querbreite vorgesehen, d.h. im vorliegenden Fall an den Bodenund Deckflächen. Alternativ ist die Anbringung von einer oder mehreren Elektrodengruppe(n) auch an den Seitenflächen oder anwendungsabhängig an einer oder mehreren der Boden-, Deckoder Seitenflächen möglich.The swirling section 10 is by a on the channel walls attached electrode assembly 11, 12 formed. The electrode arrangement 11, 12 consists of two electrode groups, the are attached to opposite channel walls. With a rectangular duct cross-section (as shown) the electrode groups to achieve high mixing effectiveness preferably on the canal walls with the larger one Transverse width provided, i.e. in the present case to the floor and Deck surfaces. Alternatively, the attachment of one or several electrode group (s) also on the side surfaces or Depending on the application, one or more of the floor, deck or Side faces possible.

Die Elektrodengruppen erstrecken sich an der jeweiligen Kanalwand über die gesamte Kanalbreite und in Strömungsrichtung 14 über die Länge des Verwirbelungsabschnitts, die anwendungsabhängig gewählt wird. Die Länge kann beispielsweise der Kanalbreite entsprechen oder kürzer als diese sein (bis zu einem Fünftel der Kanalbreite). Die Elektrodengruppen besitzen in Kanallängsrichtung (entsprechend der Strömungsrichtung 14) vorzugsweise die gleiche Ausdehnung. Es können aber auch verschiedene Dimensionen vorgesehen sein, wie dies unten erläutert wird. Die Elektrodengruppen sind in Bezug auf die Strömungsrichtung 14 einander gegenüberliegend oder auch versetzt angeordnet.The electrode groups extend on the respective channel wall across the entire channel width and in the direction of flow 14 over the length of the swirling section, which depends on the application is chosen. The length can be, for example, the channel width match or be shorter than this (up to one Fifth of the channel width). The electrode groups have in Channel longitudinal direction (corresponding to flow direction 14) preferably the same extent. But it can also be different Dimensions may be provided, as explained below becomes. The electrode groups are in relation to the direction of flow 14 opposite or offset arranged.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht jede Elektrodengruppe aus einer Vielzahl von unteren Elektrodenstreifen 11 auf der Bodenfläche bzw. oberen Elektrodenstreifen 12 auf der Deckfläche des Kanals 13. Die Elektrodenstreifen besitzen jeweils separate Steuerleitungen. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind nur die Steuerleitungen 11a der unteren Elektrodenstreifen 11 dargestellt. Die Elektrodenstreifen sind einzeln oder gruppenweise (z.B. gemeinsame Ansteuerung jedes dritten Elektrodenstreifens) ansteuerbar.In the embodiment according to FIG. 1 there is each electrode group a plurality of lower electrode strips 11 on the bottom surface or upper electrode strip 12 on the Top surface of the channel 13. The electrode strips each have separate control lines. For reasons of clarity are only the control lines 11a of the lower electrode strips 11 shown. The electrode strips are single or in groups (e.g. joint control of every third electrode strip) controllable.

Die Elektrodenstreifen besitzen eine planare Gestalt, d.h. sie sind schichtförmig auf der jeweiligen Kanalwand mit einer Dikke aufgebracht, die wesentlich kleiner als die Kanalhöhe a ist. Durch die Elektroden wird der Kanalquerschnitt somit praktisch nicht eingeengt. Die Elektrodenstreifen besitzen eine Länge entsprechend der Länge des Verwirbelungsabschnittes und eine vorbestimmte Breite bzw. vorbestimmte Streifenabstände. Die Streifenbreite und der Streifenabstand werden im Bereich von etwa 1/20 bis 1/5 der Kanalhöhe a oder darunter ausgewählt. Anwendungsabhängig kann vorgesehen sein, daß die Elektrodenstreifen verschiedene Breiten und verschiedene Streifenabstände oder auch verschiedene Formen besitzen, da diese Merkmale die Effektivität der Flüssigkeitsverwirbelung beeinflussen. Die Elektrodenstreifen verlaufen in Kanallängsrichtung und sind zur Erzeugung einer Feldwirkung quer zur Kanallängsrichtung eingerichtet (siehe unten).The electrode strips have a planar shape, i.e. she are layered on the respective channel wall with a thickness applied, which is much smaller than the channel height a is. The channel cross section is thus through the electrodes practically not restricted. Have the electrode strips a length corresponding to the length of the swirling section and a predetermined width or predetermined stripe spacing. The stripe width and stripe spacing are in the range selected from about 1/20 to 1/5 of the channel height a or below. Depending on the application, it can be provided that the Electrode strips of different widths and different Strip spacing or have different shapes, because these features the effectiveness of fluid swirling influence. The electrode strips run in the longitudinal direction of the channel and are used to produce a field effect transverse to the longitudinal direction of the channel set up (see below).

Die Elektroden bestehen bei allen Ausführungsformen der Erfindung vorzugsweise aus einem inerten Metall (z.B. Gold, Platin, Titan). Die Elektrodenstreifen und die zugehörigen Steuerleitungen sind zweckmäßigerweise mit den Methoden der Halbleitertechnologie auf der jeweiligen Substratoberfläche hergestellt.The electrodes exist in all embodiments of the invention preferably made of an inert metal (e.g. gold, platinum, Titanium). The electrode strips and the associated control lines are expedient with the methods of semiconductor technology manufactured on the respective substrate surface.

Die Elektrodengruppen werden erfindungsgemäß mit einer (nicht dargestellten) Steuereinrichtung gemäß einer oder mehreren der folgenden Alternativen angesteuert.According to the invention, the electrode groups are provided with a (not shown) control device according to one or more of the the following alternatives.

Gemäß einer ersten Gestaltung werden an den Elektrodenstreifen elektrische Wanderwellen ausgebildet, wie sie an sich von den obengenannten Wanderwellenpumpen bekannt sind. Zur Erzeugung einer Wanderwelle werden die Elektrodenstreifen aufeinanderfolgend so angesteuert, daß sich ein quer zur Strömungsrichtung bewegendes Feldmaximum ergibt. Hierzu werden an die Elektrodenstreifen hochfrequente Signale mit einer bestimmten Phasenverschiebung angelegt. Die Frequenz der hochfrequenten Signale entspricht etwa dem Kehrwert der Relaxationszeit der Ladungsträger in der Flüssigkeit und liegt im kHz- bis MHz-Bereich. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Wanderwelle mit mindestens drei zueinander phasenverschobenen Signalen erzeugt. Es sind beispielsweise vier Signale mit einer Amplitude im Voltbereich vorgesehen, die jeweils um 90° phasenverschoben sind.According to a first embodiment, the electrode strips electrical traveling waves trained as they are by themselves above-mentioned traveling wave pumps are known. For generation In a traveling wave, the electrode strips become successive controlled so that there is a cross to the direction of flow moving field maximum results. To do this, attach the electrode strips high-frequency signals with a certain phase shift created. The frequency of the high-frequency Signals roughly corresponds to the reciprocal of the relaxation time of the Charge carriers in the liquid and are in the kHz to MHz range. According to a preferred embodiment, a Traveling wave with at least three phases out of phase with each other Signals generated. For example, there are four signals an amplitude in the volt range is provided, each by 90 ° are out of phase.

Gemäß einer zweiten Gestaltung werden in der Feldrichtung. schräg oder quer zur Strömungsrichtung 14 elektrische Feidgradienten aufgebaut. Die Elektrodenstreifen werden phasengieich mit hochfrequenten Signalen beaufschlagt, die jedoch eine von Streifen zu Streifen veränderliche Amplitude (z.B. im Bereich von 0,1 V bis 100 V) besitzen (typischerweise < 20V).According to a second design, the field direction. 14 oblique or transverse to the flow direction 14 electrical field gradients built up. The electrode strips become phase-identical with high-frequency signals, but one of Stripe to stripe variable amplitude (e.g. in the area from 0.1 V to 100 V) (typically <20V).

Schließlich ist gemäß einer weiteren Gestaltung vorgesehen, daß an eine oder beide der Elektrodengruppen teilweise oder einheitlich eine hochfrequente Wechselspannung (Amplitude im Voltbereich) angelegt wird, um Flüssigkeitsquerströmungen oder eine Flüssigkeitsverwirbelung im Verwirbelungsabschnitt zu erzielen. Bei dieser Ausführungsform werden alle Teilelektroden der Elekrodengruppen gemeinsam angesteuert oder die Elektrodengruppen bestehen jeweils lediglich aus einer gemeinsamen Elektrode, die jedoch zur Erzeugung des thermischen Gradienten strukturiert ist (s. Fig. 5).Finally, according to a further design, that partially or to one or both of the electrode groups uniformly a high-frequency AC voltage (amplitude in Volt range) is applied to cross liquid flows or to achieve fluid swirling in the swirling section. In this embodiment, all sub-electrodes the electrode groups are controlled together or the electrode groups consist of only one common Electrode, however, used to generate the thermal gradient is structured (see FIG. 5).

Unter der Wirkung der elektrischen Felder erfolgt erfindungsgemäß eine elektrokonvektive Umwälzung der den Kanal 13 durchsetzenden Flüssigkeit. Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Umwälzung der Flüssigkeit (z.B. Vermischen mehrerer Flüssigkeiten) im Strömungsbetrieb bei Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 1000 µm/s realisiert werden kann.According to the invention, under the action of the electric fields an electro-convective circulation of those passing through channel 13 Liquid. A particular advantage of the invention consists in the circulation of the liquid (e.g. mixing several liquids) in flow mode at flow speeds of up to 1000 µm / s can be realized can.

Die Erzeugung der Verwirbelung oder der Quer- bzw. Ringströmungen quer oder schräg zur Kanalausrichtung kann durch eine zusätzliche Temperierung des Kanals beeinflußt werden. Bei Aufbringung eines Temperaturgradienten im Bereich des Verwirbelungsabschnittes quer zur Kanalausrichtung, insbesondere durch Erwärmung der Deckfläche oder Kühlung der Bodenfläche des Kanals 13, kann die Verwirbelung intensiviert werden. Dies ist vorteilhaft, da simultan zur Temperierung eine Verringerung der Amplitude der Steuersignale ermöglicht wird.The generation of the swirl or the cross or ring flows transversely or diagonally to the channel orientation can be achieved by additional temperature control of the channel can be influenced. at Application of a temperature gradient in the area of the swirling section across the channel orientation, in particular by heating the top surface or cooling the bottom surface of channel 13, the turbulence can be intensified. This is advantageous because a reduction occurs simultaneously with the tempering the amplitude of the control signals is made possible.

Obwohl Fig. 1 nur ein Paar von Elektrodengruppen zeigt, können in Kanallängsrichtung mehrere Verwirbelungsabschnitte mit entsprechend mehreren Elektrodengruppen vorgesehen sein.1 shows only a pair of electrode groups, can in the longitudinal direction of the channel several swirl sections with accordingly several electrode groups can be provided.

Fig. 2 zeigt weitere Ausführungsformen erfindungsgemäßer Elektrodenanordnungen, die wiederum jeweils aus zwei, an gegenüberliegenden Kanalwänden angebrachten Elektrodengruppen bestehen. Jede Elektrodengruppe besteht aus einer geraden Aneinanderreihung von dreieckigen oder pfeilförmigen Elektrodenelementen. Die Aneinanderreihung bildet einen Streifen mit einer Ausrichtung entsprechend der gewünschten Feldrichtung schräg oder quer zur Strömungsrichtung. Die Elektrodenelemente sind so aneinandergereiht, daß jeweils eine Dreiecksspitze hin zu einer Dreiecksseite des benachbarten Elektrodenelements weist. Im Kanal 23 sind drei Paare von Elektrodengruppen gezeichnet. Die Elektrodengruppen 21a, 22a sind symmetrisch gestaltet, d.h. beide Elektrodengruppen bestehen aus gleich großen und gleich orientierten Elektrodenelementen. Die Elektrodengruppen 21b, 22b bilden eine a symmetrische Gestaltung, bei der die Elektrodengruppe 21b auf der Bodenfläche eine kleinere Anzahl von vergrößerten Elekrodenelementen verglichen mit der Elektrodengruppe 22b auf der Deckfläche aufweist. Eine weitere asymmetrische Gestaltung zeigt das Paar der Elektrodengruppen 21c, 22c, die jeweils aus gleich großen, aber in Bezug auf die Dreiecksrichtung umgekehrt orientierten Elektrodenelementen besteht.2 shows further embodiments of electrode arrangements according to the invention, which in turn each consist of two, on opposite There are electrode groups attached to the channel walls. Each electrode group consists of a straight line up of triangular or arrow-shaped electrode elements. The line-up forms a strip with one Alignment according to the desired field direction or across the flow direction. The electrode elements are lined up in such a way that one triangle tip each a triangle side of the adjacent electrode element. Three pairs of electrode groups are drawn in channel 23. The electrode groups 21a, 22a are designed symmetrically, i.e. both electrode groups consist of the same size and identically oriented electrode elements. The electrode groups 21b, 22b form a symmetrical design, in which the Electrode group 21b on the bottom surface a smaller number of enlarged electrode elements compared to the electrode group 22b on the top surface. Another the pair of electrode groups shows an asymmetrical design 21c, 22c, each of the same size, but in relation to the Triangular direction of inverted electrode elements consists.

In Fig. 2 sind die Steuerleitungen der einzelnen Elektrodenelemente nicht gezeigt. Die Elektrodenelemente sind elektrisch voneinander isoliert angeordnet und somit separat oder gruppenweise ansteuerbar. Die Ansteuerung der Elektrodenelemente kann analog zur Ansteuerung der Streifenelektroden gemäß Fig. 1 erfolgen.In Fig. 2 are the control lines of the individual electrode elements Not shown. The electrode elements are electrical arranged isolated from each other and thus separately or controllable in groups. The control of the electrode elements can be analogous to the control of the strip electrodes Fig. 1 take place.

Weitere Ausführungsformen mit unregelmäßigen Elektrodengestaltungen sind in Fig. 3 dargestellt. Wiederum besteht eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung aus zwei Elektrodengruppen, die an gegenüberliegenden Kanalwänden angebracht sind. Jede Elektrodengruppen besteht aus einer Aneinanderreihung von Elektrodenelementen, die flächige, dreieckige oder rechteckige Formen verschiedener Größen besitzen. Bei den Elektrodengruppen 31a, 32a bilden die rechteckigen Elektrodenelemente jeder Elektrodengruppe jeweils einen Streifen, der in der gewünschten Feldrichtung (hier z.B. senkrecht zur Strömungsrichtung) ausgerichtet ist. Bei den Elektrodengruppen 31b, 32b sind als Elektrodenelemente abwechselnd Rechtecke und Dreiecke vorgesehen, die als Aneinanderreihung wiederum jeweils einen Streifen bilden.Further embodiments with irregular electrode designs are shown in Fig. 3. Again there is an inventive one Electrode arrangement of two electrode groups, which are attached to opposite channel walls. each Electrode groups consist of a series of Electrode elements that are flat, triangular or rectangular Have shapes of different sizes. For the electrode groups 31a, 32a form the rectangular electrode elements each Electrode group one strip each, in the desired Field direction (here e.g. perpendicular to the flow direction) is aligned. The electrode groups 31b, 32b are as Alternating electrodes and rectangles and triangles are provided, which in turn are a stripe form.

Beide Elektrodenanordnungen gemäß Fig. 3 stellen wiederum asymmetrische Anordnungen dar. Die Anordnung größerer oder kleinerer rechteckiger Elektrodenelemente bzw. rechteckiger oder dreieckiger Elektrodenelemente liefert eine Orientierung der jeweiligen Streifen. Die Orientierungen der einander gegenüberliegenden Elektrodengruppen 31a, 32a bzw. 31b, 32b sind jeweils umgekehrt zueinander.Both electrode arrangements according to FIG. 3 in turn asymmetrical arrangements. The arrangement of larger or smaller rectangular electrode elements or rectangular or triangular electrode elements provides orientation of the respective strips. The orientations of each other opposite electrode groups 31a, 32a and 31b, 32b are reversed to each other.

Die durch die Elektrodenelemente gebildeten Streifen erstrekken sich im wesentlichen über die gesamte Kanalbreite und besitzen in Kanallängsrichtung typische Dimensionen wie die in Fig. 1 gezeigten Elektrodenstreifen.The strips formed by the electrode elements extend over the entire width of the channel and have typical dimensions in the longitudinal direction of the channel like that in Fig. 1 shown electrode strips.

Zur Erzielung bestimmter Feldgradienten können die Formen der Elektrodenelemente anwendungsabhängig abgewandelt sein. Wiederum sind die Elektrodenelemente einzeln oder gruppenweise ansteuerbar.To achieve certain field gradients, the forms of Electrode elements can be modified depending on the application. Again, the electrode elements are individual or in groups controllable.

Eine weitere Gestaltung einer erfindungsgemäßen Elektrodenanordnung ist in Fig. 4 gezeigt. Im Kanal 43 ist auf der Bodenfläche eine mäanderförmige Elektrodenanordnung 41 und auf der Deckfläche eine flächige Elektrode 42 (gepunktet dargestellt) angebracht. Die mäanderförmige Elektrodengruppe besteht beim dargestellten Beispiel aus vier Elektroden, die voneinander getrennt, spiralförmig umeinander gelegt in der Ebene der Bodenfläche angeordnet sind. Die flächige Elektrode 42 bildet eine Gegenelektrode. Wiederum erfolgt die Ansteuerung der Elektrodengruppe 41 entsprechend den oben unter Bezug auf Fig. 1 erläuterten Prinzipien. Eine Beaufschlagung der vier Elektroden mit vier phasenverschobenen Signalen wird bevorzugt. Die flächige Elektrode 42 kann durch eine entsprechende Mäanderanordnung ersetzt werden. Another design of an electrode arrangement according to the invention is shown in Fig. 4. In channel 43 is on the floor surface a meandering electrode arrangement 41 and on the Cover surface of a flat electrode 42 (shown with dots) appropriate. The meandering group of electrodes consists of illustrated example of four electrodes that are separated from each other separated, spirally laid around one another in the plane of the floor surface are arranged. The flat electrode 42 forms a counter electrode. Again the control of the Electrode group 41 corresponding to those above with reference to FIG Fig. 1 explained principles. An application to the four Electrodes with four phase-shifted signals are preferred. The flat electrode 42 can be replaced by a corresponding one Meander arrangement to be replaced.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (s. Fig. 5) ist im flüssigkeitsdurchströmten Mikrokanal 53 eine Elektrodenanordnung vorgesehen, die aus zwei strukturierten Einzelelektroden 51, 52 besteht. Die Einzelelektroden 51, 52 sind analog zur Positionierung der Elektrodengruppen gemäß den oben erläuterten Ausführungsformen an gegenüberliegenden Kanalwänden angebracht. Jede der Einzelelektroden besitzt eine Strukturierung z.B. in Form einer Aneinanderreihung von dreieckigen Elektrodenelementen (wie dargestellt), die hier jedoch im Unterschied zu der Gestaltung gemäß Fig. 2 elektrisch miteinander verbunden sind. Die Elektrodenelemente können auch andere geometrische Gestalten besitzen.According to a further embodiment of the invention (see FIG. 5) is an electrode arrangement in the liquid-flow microchannel 53 provided that consist of two structured individual electrodes 51, 52 exists. The individual electrodes 51, 52 are analogous to the positioning of the electrode groups according to the above explained embodiments on opposite channel walls appropriate. Each of the individual electrodes has a structure e.g. in the form of a series of triangular Electrode elements (as shown), but here the difference to the design according to FIG. 2 electrically with one another are connected. The electrode elements can also be other possess geometric shapes.

Die Herstellung der Einzelelektroden 51, 52 erfolgt entweder durch Prozessierung der gewünschten Elektrodenfläche auf der jeweiligen Boden- oder Deckfläche durch Aufbringung einer Beschichtung entsprechend der gewünschten Form der Elektrodenelemente oder durch die im folgenden erläuterte Abdecktechnik. Demnach besteht jede Einzelelektrode 51, 52 aus einer flächigen, rechteckigen Elektrode, die sich über die gesamte Kanalbreite erstreckt (gestrichelt gezeichnet). Die Elektrode trägt eine Isolationsschicht mit Ausnehmungen entsprechend den gewünschten Formen der Elektrodenelemente. Nur an diesen Ausnehmungen oder Öffnungen steht die Elektrode mit der Flüssigkeit in direktem Kontakt und wird dadurch auch nur entsprechend diesen Ausnehmungsmustern wirksam. Diese Gestaltung besitzt den Vorteil, daß sich die Elektrodenelemente der Einzelelektroden 51, 52 nicht berühren müssen, da der elektrische Kontakt über die Elektrodenfläche unter der Isolationsschicht gewährleistet ist.The individual electrodes 51, 52 are either produced by processing the desired electrode area on the respective floor or top surface by applying a coating according to the desired shape of the electrode elements or by the cover technology explained below. Accordingly, each individual electrode 51, 52 consists of one flat, rectangular electrode that extends over the entire Channel width extends (drawn in dashed lines). The electrode carries an insulation layer with recesses corresponding to desired shapes of the electrode elements. Only on these recesses or openings, the electrode with the liquid in direct contact and is therefore only appropriate these exemption patterns are effective. This design has the advantage that the electrode elements of the Individual electrodes 51, 52 do not have to touch because of the electrical Contact via the electrode surface under the insulation layer is guaranteed.

Fig. 5 zeigt wiederum eine asymmetrische Gestaltung, bei der die Elektrodenelemente der unteren Einzelelektrode 51 eine Aneinanderreihung mit weniger, dafür jedoch größeren Dreiecken bildet als die Elektrodenelemente der oberen Einzelelektrode 52.Fig. 5 again shows an asymmetrical design in which the electrode elements of the lower single electrode 51 are lined up with fewer but larger triangles forms as the electrode elements of the upper single electrode 52nd

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 besteht die erfindungsgemäße Elektrodenanordnung aus zwei an gegenüberliegenden Kanalwänden angebrachten Elektrodengruppen 61a, 61b bzw. 62a, 62b, die jeweils aus zwei kammartig ineinandergreifenden Elektrodenstreifen bestehen. Der Kanal 63 wird entsprechend der Pfeilrichtung 64 (oder umgekehrt zu dieser) von der Flüssigkeit durchströmt. Wird die Flüssigkeit im Bereich der Elektrodenanordnung hochfrequenten elektrischen Feldern ausgesetzt, so ergibt sich wiederum die gewünschte elektrokonvektive Umwälzung quer zur Kanalrichtung. Die dargestellte Ausführungsform umfaßt insgesamt vier Elektrodenstreifen, die vorzugsweise vierphasig mit einem hochfrequenten Wechselfeld angesteuert werden. Die Elektrodenstreifen sind asymmetrisch in Bezug auf die Streifenbreite und Streifenabstände angeordnet.In the embodiment according to FIG. 6, there is the invention Electrode arrangement consisting of two on opposite channel walls attached electrode groups 61a, 61b or 62a, 62b, each consisting of two interdigitated electrode strips consist. The channel 63 is corresponding to the Arrow direction 64 (or vice versa) from the liquid flows through. If the liquid is in the area of the electrode arrangement exposed to high frequency electrical fields, this again results in the desired electro-convective circulation across the channel direction. The illustrated embodiment comprises a total of four electrode strips, preferably four-phase controlled with a high-frequency alternating field become. The electrode strips are asymmetrical with respect to the stripe width and stripe spacing.

Eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung kann auch eine Oktopolelektrodenanordnung gemäß Fig. 7 umfassen. Es sind an gegenüberliegenden Kanalwänden zwei Elektrodengruppen vorgesehen. Die Elektrodengruppe auf der Bodenfläche besteht aus vier einzeln ansteuerbaren, rechteckigen Elektrodenelementen 71a bis 71d. Dazu gegenüberliegend besteht die Elektrodengruppe auf der Deckfläche aus vier einzeln ansteuerbaren, rechteckigen Elektrodenelementen 72a bis 72d. Die den Kanal 73 in Pfeilrichtung 74 durchströmende Flüssigkeit wird vorzugsweise einem rotierenden Vier-Phasen-Wechselfeld ausgesetzt. Wie dies erzeugt wird, ist beispielhaft in der folgenden Tabelle angegeben: Elektrode/Variante 71a 71b 71c 71d 72a 72b 72c 72d 1 0° 90° 180° 270° 180° 270° 0° 90° 2 0° 90° 180° 270° 0° 90° 180° 270° 3 0° 90° 180° 270° erdfei erdfrei erdfrei erdfrei 4 0° erdfrei 90° erdfrei 270° erdfrei 180° erdfrei 5 0° 0° 270° 270° 90° 90° 180° 180° 6 0° erdfrei erdfrei 270° 90° erdfrei erdfrei 180° An electrode arrangement according to the invention can also comprise an octopole electrode arrangement according to FIG. 7. Two electrode groups are provided on opposite channel walls. The electrode group on the bottom surface consists of four individually controllable, rectangular electrode elements 71a to 71d. Opposite to this, the electrode group on the cover surface consists of four individually controllable, rectangular electrode elements 72a to 72d. The liquid flowing through the channel 73 in the direction of arrow 74 is preferably exposed to a rotating four-phase alternating field. The following table shows an example of how this is generated: Electrode / variant 71a 71b 71c 71d 72a 72b 72c 72d 1 0 ° 90 ° 180 ° 270 ° 180 ° 270 ° 0 ° 90 ° 2 0 ° 90 ° 180 ° 270 ° 0 ° 90 ° 180 ° 270 ° 3 0 ° 90 ° 180 ° 270 ° erdfei ungrounded ungrounded ungrounded 4 0 ° ungrounded 90 ° ungrounded 270 ° ungrounded 180 ° ungrounded 5 0 ° 0 ° 270 ° 270 ° 90 ° 90 ° 180 ° 180 ° 6 0 ° ungrounded ungrounded 270 ° 90 ° ungrounded ungrounded 180 °

Die Oktopolanordnung kann dahingehend modifiziert sein, daß nur vier Elekroden vorgesehen sind, wobei dann die erdfreien Ansteuerungen fortgelassen werden.The octopole arrangement can be modified so that only four electrodes are provided, then the floating ones Controls are omitted.

Die Erfindung wurde oben zur Illustration verschiedener Formen der Elektrodenanordnungen beschrieben, wobei jeweils von einer Feldrichtung senkrecht zur Strömungsrichtung ausgegangen wurde. Davon abweichende Ausrichtungen im eingangs genannten Winkelbereich sind unter entsprechender Anpassung der Elektrodenelemente und ihrer Anordnung realisierbar. In jedem Falle können die einzelnen Elektrodengruppen in Kanalrichtung zueinander versetzt angeordnet sein. Die Realisierung der Erfindung in Kanälen mit rechteckigem Querschnitt bei Anbringung der Elektrodenanordnungen an den breiteren Kanalwänden wird bevorzugt, wobei jedoch auch abgewandelte geometrische Gestaltungen möglich sind. Anstelle der beschriebenen Ansteuerung der Elektroden mit kontinuierlichen, hochfrequenten Wechselspannungen ist auch eine pulsförmige Ansteuerung möglich. Die Elektroden können auch Elektrodenelemente umfassen, die in Bezug auf die Strömungsrichtung strukturiert und separat ansteuerbar sind. Damit könnte die Feldrichtung während der Flüssigkeitsumwälzung geändert werden,. z.B. auf das Ergebnis der Umwälzung oder auf bestimmte Flüssigkeitseigenschaften zu reagieren. The invention has been used above to illustrate various forms of the electrode arrangements described, each of one Field direction perpendicular to the flow direction was assumed. Different orientations in the angular range mentioned at the beginning are with appropriate adjustment of the electrode elements and their arrangement feasible. In any case can the individual electrode groups in the channel direction to each other be staggered. The realization of the invention in channels with a rectangular cross-section when the Electrode arrangements on the wider channel walls are preferred however, also modified geometric designs possible are. Instead of the described control of the electrodes with continuous, high-frequency AC voltages pulse control is also possible. The electrodes may also include electrode elements that are related to the Flow direction structured and can be controlled separately. This could change the direction of the field during liquid circulation be changed. e.g. on the result of the revolution or react to certain liquid properties.

Bevorzugte Anwendungen der Erfindung liegen in allen Bereichen des Einsatzes von Mikrosystemen für biotechnologische, medizinische, diagnostische, chemisch-technologische oder pharmakologische Aufgaben. Eine vorteilhafte Anwendung der Erfindung in sogenannten DNA-Chips wird im folgenden unter Bezug auf Fig. 8 erläutert.Preferred applications of the invention are in all areas the use of microsystems for biotechnological, medical, diagnostic, chemical-technological or pharmacological Tasks. An advantageous application of the invention in so-called DNA chips is referred to below with reference to Fig. 8 explains.

Ein DNA-Chip ist allgemein eine Probenkammer mit mindestens einer modifizierten Oberfläche. Die modifizierte Wandoberfläche besitzt eine vorbestimmte molekulare Beschichtung zur Bildung eines Substrats für DNA-Reaktionen. Zum Aufbau von bestimmten DNA-Konfigurationen werden Nukleotide in die Probenkammer eingeführt und mit dem Substrat bzw. bereits gewachsenen DNA-Strängen zur Reaktion gebracht. Die Reaktion wird durch eine Umwälzung der Flüssigkeit beschleunigt. Andererseits muß auch vermieden werden, daß bereits gewachsene DNA-Stränge von der modifizierten Wandoberfläche abgetrennt werden. Hierzu kann mit Vorteil das erfindungsgemäße Verfahren zur konvektiven Flüssigkeitsbewegung eingesetzt werden.A DNA chip is generally a sample chamber with at least one a modified surface. The modified wall surface has a predetermined molecular coating for Formation of a substrate for DNA reactions. To build certain DNA configurations are nucleotides in the sample chamber introduced and with the substrate or already grown DNA strands reacted. The reaction is accelerated by circulation of the liquid. on the other hand must also be avoided that already grown strands of DNA be separated from the modified wall surface. The method according to the invention can advantageously be used for this purpose be used for convective fluid movement.

Fig. 8 zeigt in schematischer Querschnittsansicht einen DNA-Chip 80, an dessen Innenwände Elektrodenanordnungen 81 bzw. 82 vorgesehen sind. Der DNA-Chip besitzt einen Zulauf 83 und einen Ablauf 84. Die in der Darstellung untere, innere Chipwand 85 bildet das oberflächenmodifizierte Substrat für das DNA-Wachstum. Die DNA-Stränge 86 (schematisch eingezeichnet) wachsen in der durch den Zulauf 83 eingeführten Nukleotidlösung (Pfeilrichtung). Nach den oben erläuterten Prinzipien werden mit den Elektrodenanordnungen 81, 82 elektrische Feldgradienten mit einer von der Strömungsrichtung abweichenden Ausrichtung erzeugt. Damit ergibt sich im DNA-Chip 80 eine Durchmischung der Nukleotidlösung. Diese Durchmischung kann durch Einstellung von optisch induzierten Thermogradienten in vorbestimmte Fokuspositionen 87. der Laserbestrahlung 88 lokal begrenzt werden, so daß eine Durchmischung lediglich an den freien Enden der DNA-Stränge 86 erfolgt.Fig. 8 shows a schematic cross-sectional view of a DNA chip 80, on the inner walls of which electrode arrangements 81 and 82 are provided. The DNA chip has an inlet 83 and an outlet 84. The lower, inner chip wall in the illustration 85 forms the surface modified substrate for the DNA growth. The DNA strands 86 (shown schematically) grow in the nucleotide solution introduced through inlet 83 (Arrow). According to the principles explained above become electrical field gradients with the electrode arrangements 81, 82 with one that deviates from the direction of flow Alignment generated. This results in a in the DNA chip 80 Mix the nucleotide solution. This mixing can by setting optically induced thermal gradients in predetermined focus positions 87. of the laser radiation 88 locally be limited so that mixing only at the free ends of the DNA strands 86 takes place.

Es kann aber auch eine Durchmischung im gesamten DNA-Chip 80 vorgesehen sein. In jedem Falle besitzt die Umwälzung der zugeführten Nukleotidlösung den Vorteil, daß die Geschwindigkeit der DNA-Synthese erheblich erhöht wird.However, it can also be mixed in the entire DNA chip 80 be provided. In any case, the circulation of the supplied Nucleotide solution has the advantage of speed DNA synthesis is significantly increased.

Die Erfindung wurde hier unter Bezug auf strömende Suspensionsflüssigkeiten beschrieben, kann aber auch entsprechend in ruhenden Flüssigkeiten oder verwirbelten Flüssigkeiten angewendet werden. Die Erfindung wurde ferner oben unter Bezug auf Ausführungsformen beschrieben, bei denen jeweils an gegenüberliegenden Kanalwänden Elektrodenanordnungen vorgesehen sind. Gemäß einer Abwandlung ist es auch möglich, nur an einer Kanalwand eine Elektrodenanordnung zur Erzeugung des oder der Feldgradienten vorzusehen.The invention has been described here with reference to flowing suspension liquids described, but can also be accordingly in quiescent liquids or swirled liquids become. The invention has also been described above with reference to Embodiments described, in each case on opposite Channel walls electrode arrangements are provided. According to a modification, it is also possible to use only one Channel wall an electrode arrangement for generating the or To provide field gradients.

Claims

Method for the convective movement of at least one liquid in a duct of a microsystem, which has a predetermined duct direction,
characterised in that
in at least one sub-section of the duct, the liquid is subjected to an electric field gradient, which is generated with electric fields in the respective sub-section in
accordance with a predetermined field direction, wherein the field direction deviates from the duct direction, and under the action of the field gradient the liquid is moved in a direction deviating from the duct direction.
Method according to Claim 1, wherein a thermal gradient is generated in the respective sub-section of the duct simultaneously with the generation of the electric field gradient.
Method according to Claim 2, wherein the thermal gradient is generated with an electrode array, which is attached to at least one duct wall in the respective sub-section.
Method according to Claim 2, wherein the thermal gradient is generated by a focussed irradiation of the respective sub-section of the duct.
Method according to one of Claims 1 to 4, wherein the electric fields are migrating electric fields, which travel in a direction corresponding to the field direction, comprising electric field gradients with an orientation corresponding to the field direction, or alternating fields, which are formed with field-generating electrodes oriented in field direction.
Method according to one of Claims 1 to 5, wherein the angle difference between the duct direction and the field direction is selected in the range of 60° to 120°.
Method according to one of the preceding claims, wherein several liquids flow simultaneously through the duct and in the respective sub-section are circulated transversely and obliquely to the flow direction and mixed together.
Method according to Claim 7, wherein at least one of the liquids is a suspension with biological or synthetic micro-particles.
Method according to one of the preceding claims, wherein the field direction in the respective sub-section of the duct is varied in dependence on fluidic or material properties of the liquid.
Use of a method according to one of Claims 1 to 9 for mixing liquids, for the chemical treatment of micro-particles in a suspension via a treatment solution or for circulating a liquid flowing in a microsystem.
Device for the convective movement of a liquid in a fluid microsystem, which comprises a duct with a predetermined duct direction, wherein at least one predetermined sub-section with an electrode array is provided in the duct and the electrode array is set up for the formation of an electric field gradient following a predetermined field direction,
characterised in that
the electrode array is configured such that the field direction deviates from the duct direction.
Device according to Claim 11, wherein the electrode array comprises groups of electrodes or single electrodes, which are respectively attached to at least one wall of the duct.
Device according to Claim 12, wherein the groups of electrodes consist of electrode strips, which extend over the length of the respective sub-section in the longitudinal direction of the duct and may be actuated individually.
Device according to Claim 12, wherein the groups of electrodes or single electrodes consist of plane electrode elements, which are arranged in strip form following the field direction in the respective sub-section and may be actuated separately or jointly.
Device according to Claim 14, wherein the electrode elements form rectangular, triangular and/or arrow-shaped structures.
Device according to Claim 12, wherein the electrode array has meander- or comb-shaped single electrodes or octopole electrode arrays.
Device according to one of Claims 11 to 16, wherein the length of the respective sub-section is smaller than or equal to a characteristic cross-sectional dimension of the duct structure.
Device according to one of Claims 11 to 17, wherein an irradiation device is provided for generation of an optical irradiation (88) with focus in the respective sub-section.
Device according to Claim 18, wherein the irradiation device is formed by at least one laser light source.
Use of at least one device according to one of Claims 11 to 19 in a fluid microsystem or a DNA chip (80).